An In-Depth First-Principles Study of the Structural, Stability, Electronic, Thermodynamic, and Optical Characteristics of Two-Dimensional BiBrO
Анотація
Це дослiдження використовує DFT в рамках GGA для проведення ретельного розрахунку стабiльностi, електронних властивостей, теплових характеристик та оптичних вiдгукiв 2D BiBrO. Обчислена енергiя утворення, разом з результатами розрахунку фононiв та результатами AIMD, пiдтверджує стабiльну структурну, динамiчну та теплову стабiльнiсть системи BiBrO. 2D матерiал BiBrO демонструє напiвпровiдникову поведiнку iз забороненою зоною 2,42 еВ, що пiдтверджено аналiзом електронної зонної структури. Аналiз оптичних властивостей BiBrO виявляє потужну взаємодiю видимого та ультрафiолетового (УФ) свiтла, що пiдтверджує його застосування як пристрою накопичення сонячної енергiї. Велика здатнiсть BiBrO накопичувати теплову енергiю зумовлена високою теплоємнiстю, оскiльки BiBrO має бiльшу щiльнiсть фононних станiв. Ентропiя зростає пропорцiйно температурi, що означає додатковий атомний безлад i бiльш доступнi мiкроскопiчнi стани. Крiм того, збiльшення ентропiї та плато теплоємностi при високих температурах означають змiну до бiльш невпорядкованого стану, водночас забезпечуючи ефективне поглинання теплової енергiї. Низька теплопровiднiсть решiтки та менша швидкiсть груп фононiв BiBrO є характеристиками, якi роблять матерiал корисним для теплоiзоляцiї, зберiгаючи при цьому структурну стабiльнiсть. Цi результати дають важливу iнформацiю щодо того, як BiBrO може бути використаний у системах накопичення енергiї, а також як тепловий бар’єр.
Завантаження
Посилання
D. Golberg, Y. Bando, Y. Huang, T. Terao, M. Mitome, C. Tang, and C. Zhi, ”Boron nitride nanotubes and nanosheets,” ACS nano, 4(6), 2979-2993 (2010). https://doi.org/10.1021/nn1006495
N. R. Abdullah, B. J. Abdullah, and V. Gudmundsson, ”Modeling the electronic, phonon, magnetic, thermal, mechanical, and optical properties of a hybrid B3C2N3 nanosheet in the context of a bc6n single layer,” Materials Science in Semiconductor Processing, 180, 108581 (2024). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2024.108581
A. V. Kretinin, Y. Cao, J.-S. Tu, G. Yu, R. Jalil, K. S. Novoselov, S. J. Haigh, et al., ”Electronic properties of graphene encapsulated with different two-dimensional atomic crystals,” Nano letters, 14(6), 3270-3276 (2014). https://doi.org/10.1021/nl5006542
P. Avouris, ”Graphene: electronic and photonic properties and devices,” Nano letters, 10(11), 4285–4294 (2010). https://doi.org/10.1021/nl102824h
P. Mir´o, M. Audiffred, and T. Heine, ”An atlas of two-dimensional materials,” Chemical Society Reviews, 43(18), 6537–6554 (2014). https://doi.org/10.1039/C4CS00102H
M. Xu, T. Liang, M. Shi, and H. Chen, ”Graphene-like two-dimensional materials,” Chemical reviews, 113(5), 3766-3798 (2013). https://doi.org/10.1021/cr300263a
D. Deng, K.Novoselov, Q. Fu,N. Zheng, Z.Tian, and X. Bao, ”Catalysis with two-dimensional materials and their heterostructures,” Nature nanotechnology, 11(3), 218–230 (2016). https://doi.org/10.1038/nnano.2015.340
Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman,and M. S. Strano, ”Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides,” Nature nanotechnology, 7(11), 699–712 (2012). https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193
J. He, S. Ma, P. Lyu, and P. Nachtigall, ”Unusual Dirac half-metallicity with intrinsic ferromagnetism in vanadium trihalide monolayers,” Journal of Materials Chemistry C, 4(13), 2518-2526 (2016). https://doi.org/10.1039/C6TC00409A
W.-B. Zhang, L.-J. Xiang, and H.-B. Li, ”Theoretical perspective of energy harvesting properties of atomically thin BiI3,” Journal of Materials Chemistry A, 4(48), 19086–19094 (2016). https://doi.org/10.1039/C6TA06806E
N. F. Coutinho, R. B. Merlo, N. F. Borrero, and F. C. Marques, ”Thermal evaporated bismuth triiodide (BiI3) thin films for photovoltaic applications,” MRS advances, 3(55), 3233–3236 (2018). https://doi.org/10.1557/adv.2018.405
Q.Wei, J. Chen, P. Ding, B. Shen, J. Yin, F. Xu, Y. Xia, and Z. Liu, ”Synthesis of easily transferred 2D layered BiI3 nanoplates for flexible visible-light photodetectors,” ACS applied materials & interfaces, 10(25), 21527–21533 (2018). https://doi.org/10.1021/acsami.8b02582
F. Ma, M. Zhou, Y. Jiao, G. Gao, Y. Gu, A. Bilic, Z. Chen, and A. Du, ”Single layer bismuth iodide: computational exploration of structural, electrical, mechanical and optical properties,” Scientific reports, 5(1), 17558 (2015). https://doi.org/10.1038/srep17558
Y. Zhang, P. Zhang, Y. Lan, L. Zhang, J. Yan, and X. Su, ”Bismuth oxybromide photocatalysts for CO2 reduction: modification methods, bottlenecks, and optimization strategies,” Chemical Communications, 62(2), 2877-2895 (2026). https://doi.org/10.1039/d5cc06774j
I. H. Sabuj, Q. S. Hossain, S. S. Nishat, S. A. Jahan, M. Khan, U. S. Akhtar, M. S. Bashar, et al., ”Experimental and theoretical exploration of bismuth oxyhalide (BiOX, X= Cl, Br, I) nanoparticles in thermoelectric, optoelectronic, and photocatalytic
applications,” RSC advances, 16(4), 3648–3661 (2026). https://doi.org/10.1039/D5RA07838E
J. Zhang, Y. Liu, S. Xin, S. Lin, X. Zhang, J. Wang, X. Guo, et al., ”First-principles study of the effect of Bi content on the photocatalytic performance of bismuth bromide oxide-based catalysts,” Physical Chemistry Chemical Physics, 27, 3612-3621
(2025). https://doi.org/10.1039/D4CP04044A
H. Fjellv˚ag, and P. Karen, ”Crystal structure of ScCl3 Refined from PowderNeutron Diffraction Data,”Acta Chemica Scandinavica, 48, 294–297 (1994). https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.48-0294
X. Zhang, B. Li, J. Wang, Y. Yuan, Q. Zhang, Z. Gao, L.-M. Liu, and L. Chen, ”The stabilities and electronic structures of single-layer bismuth oxyhalides for photocatalytic water splitting,” Physical Chemistry Chemical Physics, 16(47), 25854–25861
(2014). https://doi.org/10.1039/C4CP03166K
A. Darmawan, E. Suprayoga, A. A. AlShaikhi, and A. R. Nugraha, ”Thermoelectric properties of two-dimensional materials with combination of linear and nonlinear band structures,” Materials Today Communications, 33, 104596 (2022). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104596
Y. H. Shwan, M. A. Ameen, A. S. Mahmood, DFT Study of the Stability, Electronic, Optical, and Thermal Properties of Two-Dimensional BiBr3 Semiconductor, East European Journal of Physics (1) (2026) 191–202. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-19
P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, et al., ”Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantumsimulations of materials,” Journal of physics: Condensed matter B, 39, 395502 (2009). https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502
A. Togo, and I. Tanaka, ”First principles phonon calculations in materials science,” Scripta Materialia, 108, 1–5 (2015). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.07.021
J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, ”Generalized gradient approximation made simple,” Physical review letters, 77(18), 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
Z.-Y. Zhao, Q.-L. Liu, and W.-W. Dai, ”Structural, electronic and optical properties of BiOX1-xYx (X, Y= F, Cl, Br and I) solid solutions from DFT calculations,” Scientific reports, 6(1), 31449 (2016). https://doi.org/10.1038/srep31449
X. He, Y. Wu, S. Liu, W. He, S. Li, G. Huo, L. Jiang, Y. Kapitonov, et al., ”Large-scale ultrastable 2D inorganic molecular crystal BiBr3 and heterostructures with superior photoluminescence enhancement,” Advanced Functional Materials, 34(39), 2403273 (2024). https://doi.org/10.1002/adfm.202403273
W.-T. Ouyang, H.-T. Ji, Y.-Y. Liu, T. Li, Y.-F. Jiang, Y.-H. Lu, J. Jiang, and W.-M. He, ”Tempo/O2 synergistically mediated bibro-photocatalyzed decarboxylative phosphorylation of n-arylglycines,” Chemistry–A European Journal, 30(41), e202304234 (2024). https://doi.org/10.1002/chem.202304234
A. Jehan, M. Husain, S. Bibi,N. Rahman,V.Tirth, A. Azzouz-Rached, M.Y. Khan, et al., ”Insight into the structural, optoelectronic, and elastic properties of AuXF3 (X= Ca, Sr) fluoroperovskites: Dft study, Optical and Quantum Electronics, 55(14), 1242 (2023). https://doi.org/10.1007/s11082-023-05394-4
H. van Gog, W.-F. Li, C. Fang, R. S. Koster, M. Dijkstra, and M. van Huis, ”Thermal stability and electronic and magnetic properties of atomically thin 2D transition metal oxides,” NPJ 2D Materials and Applications, 3(1), 18 (2019). https://doi.org/10.1038/s41699-019-0100-z
Y. H. Shwan, M. A. Ameen, and A. S. Mahmood, ”DFT study of electronic, optical, and thermodynamic properties of the 2D shape of Bi44O6 structure,” Solid State Communications, 404, 116095 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2025.116095
N. R. Abdullah, B. J. Abdullah, Y. H. Azeez, and V. Gudmundsson, ”Exploring electronic, optical, and phononic properties of MgX (X= C, N, and O) monolayers using first principle calculations,” arXiv preprint arXiv:2307.11041 (2023). https://arxiv.org/pdf/2307.11041
Z. Zhang, Y. Xie, Y. Ouyang, and Y. Chen, ”A systematic investigation of thermal conductivities of transition metal dichalcogenides,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 417–422 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.041
T. Gunst, T. Markussen, K. Stokbro, and M. Brandbyge, ”First-principles method for electron-phonon coupling and electron mobility: Applications to two-dimensional materials,” Physical Review B, 93(3), 035414 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.035414
N. R. Abdullah, B. J. Abdullah, and V. Gudmundsson, ”DFT study of tunable electronic, magnetic, thermal, and optical properties of a Ga2Si6 monolayer,” Solid State Sciences, 125, 106835 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.106835
R. Arora, A. R. Barr, D. T. Larson, M. Pizzochero, and E. Kaxiras, ”Engineering interfacial charge transfer through modulation doping for 2D electronics,” Physical Review Materials, 9(2), L021601 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.9.L021601
J. Xie, Z. Zhang, D. Yang, D. Xue, and M. Si, ”Theoretical prediction of carrier mobility in few-layer BC2N,” The Journal of Physical Chemistry Letters, 5(23), 4073–4077 (2014). https://doi.org/10.1021/jz502006z
J.-C. Tung, C.-H. Lee, P.-L. Liu, and Y.-K. Wang, ”Electronic band structures of the possible topological insulator pb2bibro6 and pb2seteo6 double perovskite: An ab initio study,” Applied Sciences, 12(12), 5913 (2022). https://doi.org/10.3390/app12125913
N. R. Abdullah, H. G. Hussein, and V. Gudmundsson, ”Controlling electronic, magnetic, thermal, and optical properties of boronnitrogen codoped strontium oxide monolayer: Activation of optical transitions in the vl region,” arXiv preprint arXiv:2307.09173 (2023). https://arxiv.org/pdf/2307.09173
S. Qi, Y. Zhang, R. Zhang, X. Liu, and H. Xu, ”First-principles and experiment investigation of bi2o3/bi2wo6 heterojunctions,” Colloid and Interface Science Communications, 44, 100502 (2021). https://doi.org/10.1016/j.colcom.2021.100502
T. L. Wakjira, K. Tadele, A. B. Gemta, and G. B. Kassahun, ”Effect of tin doping and tin-bromine co-doping on electronic and optical properties of biocl crystal: density functional theory,” Materials Research Express, 11(6), 065903 (2024). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad549c
W. L. Huang, ”Electronic structures and optical properties of BiOX(X = F, Cl, Br, I) viaDFTcalculations,” Journal of computational chemistry, 30(12), 1882–1891 (2009). https://doi.org/10.1002/jcc.21191
Y. H. Shwan, B. N. Ghafoor, and G. H. Hamasalih, ”Optimization of surface plasmon resonance (spr) for gold/air interface by using kretschmann configuration,” Engineering and Technology Journal, 40(10), 1334-1341 (2022). https://doi.org/10.30684/etj.2022.132902.1151
M. Barhoumi, and M. Said, ”Electronic and optical properties of bismuth oxyhalides from ab initio calculations,” Materials Science and Engineering: B, 264, 114921 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mseb.2020.114921
M. Fang, Z.Wang, H. Gu, B. Song, Z. Guo, J. Zhu, X. Chen, et al., ”Complex optical conductivity of Bi2Se3 thin film: Approaching two-dimensional limit,” Applied Physics Letters, 118(19), (2021). https://doi.org/10.1063/5.0049170
L. Chhana, B. Lalroliana, R. C. Tiwari, B. Chettri, D. P. Rai, L. Vanchhawng, L. Zuala, and R. Madaka, ”Strain-modulated electronic and optical properties of monolayer and bilayer CdS: A DFT study,” Journal of Electronic Materials, 51(11), 6556–6567 (2022). https://doi.org/10.1007/s11664-022-09897-w
T. L. Wakjira, K. Tadele, A. B. Gemta, and G. B. Kassahun, ”Electronic, optical, phonon, and thermodynamic properties of bismuth oxyhalides for photocatalysis application using density functional theory,” Discover Materials, 4(1), 56 (2024).
https://doi.org/10.1007/s43939-024-00131-4
A. M. Ganose, M. Cuff, K. T. Butler, A. Walsh, and D. O. Scanlon, ”Interplay of orbital and relativistic effects in bismuth oxyhalides: BiOF, BiOCl, BiOBr, and BiOI,” Chemistry of materials, 28(7), 1980–1984 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.
chemmater.6b00349
A. Ghaleb, and A. Ahmed, ”Structural, electronic, and optical properties of sphalerite zns compounds calculated using density functional theory (DFT),” Chalcogenide Letters, 19(5), 309-318 (2022). https://doi.org/10.15251/CL.2022.195.309
V. M´arta, Z. Pap, E. B´ardos, T. Gyulav´ari, G. Ver´eb, K. Hernadi, ”Effect of urea as a shape-controlling agent on the properties of bismuth oxybromides,” Catalysts, 13(3), 616 (2023). https://doi.org/10.3390/catal13030616
S. Praveen, S. Veeralingam, and S. Badhulika, ”A flexible self-powered uv photodetector and optical uv filter based on β-Bi2O33/SnO22 quantum dots schottky heterojunction,” Advanced Materials Interfaces, 8(15), 2100373 (2021). https://doi.org/10.1002/admi.202100373
X. Tan, H. Shao, T. Hu, G. Liu, J. Jiang, and H. Jiang, ”High thermoelectric performance in two-dimensional graphyne sheets predicted by first-principles calculations,” Physical Chemistry Chemical Physics, 17(35), 22872–22881 (2015). https://doi.org/10.1039/C5CP03466C
Z.-X. Xie, L.-M. Tang, C.-N. Pan, Q. Chen, and K.-Q. Chen, ”Ballistic thermoelectric properties in boron nitride nanoribbons,” Journal of Applied Physics, 114(14), 144311 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4824750
D. Singh, M. Sajjad, J. A. Larsson, and R. Ahuja, ”Promising high-temperature thermoelectric response of bismuth oxybromide,” Results in Physics, 19, 103584 (2020). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103584
Y. Li, J. Li, J. Tian, H. Liu, and J. Shi, ”A first-principles study of 2d bi-based bioclbr, biocli, and biobri monolayers with ultralow lattice thermal conductivities for thermoelectric application,” ACS Applied Nano Materials, 7(13), 15086–15095 (2024).
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01799
J. J. Plata, P.Nath, D. Usanmaz, J. Carrete, C. Toher, M. de Jong, M. Asta, et al., ”An efficient and accurate framework for calculating lattice thermal conductivity of solids: Aflow-aapl automatic anharmonic phonon library,” npj Computational Materials, 3(1), 45 (2017). https://doi.org/10.1038/s41524-017-0046-7
Y.-Y.Wu, Q.Wei, J. Zou, and H. Yang, ”Ultra-low thermal conductivity and high thermoelectric performance of monolayer BiP3: a first principles study,” Physical Chemistry Chemical Physics, 23(35), 19834–19840 (2021). https://doi.org/10.1039/d1cp01383a
M. Markov, ”Prediction of thermal conductivity and strategies for heat transport reduction in bismuth: an ab initio study,” Ph.D. thesis, Universit´e Paris Saclay (COmUE) (2016).
M. Wang, and D. Han, ”Thermal properties of 2d dirac materials MN4 (M= Be and Mg): a first-principles study,” ACS omega, 7(12), 10812–10819 (2022). https://doi.org/10.1021/acsomega.2c00785
Y. Luo, X. Yang, T. Feng, J.Wang, and X. Ruan, ”Vibrational hierarchy leads to dual-phonon transport in low thermal conductivity crystals,” Nature communications, 11(1), 2554 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16371-w
A. Togo, ”First-principles phonon calculations with phonopy and phono3py,” Journal of the Physical Society of Japan, 92(1), 012001 (2023). https://doi.org/10.7566/jpsj.92.012001
Авторське право (c) 2026 Ядгар Хуссейн Шван
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
